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开关电源_电磁兼容之屏蔽方法分析

开关电源_电磁兼容之屏蔽方法分析

2021-02-20 15:10

随着近代世界工业水平的持续发展,对电磁兼容设备与应用技术的要求愈来愈高。国家标准GB/T 4365-1995《电磁兼容术语》对电磁兼容所下的定义为:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。国家军用标准GJB72-1985《电磁干扰与电磁兼容性名词术语》也对电磁兼容做了明确的定义:“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自的功能的共存状态。

电磁兼容设计的目的

(1)目的之一:确保设备不产生超出电磁兼容标准规范的噪声源。 

(2)目的之二:设备要能够承受电磁兼容测试中所规定的噪声骚扰。即在共同的电磁环境中,所有设备、分系统以及系统都应该不受干扰并且不干扰其他设备。 

电磁兼容设计的成本: 

依据多年来电磁兼容技术和电力系统工业的发展,对于解决电磁兼容与产品的开发、生产过程之间的关系。因此电磁兼容设计在整个电子产品设计过程之中都是存在的,但是在生产阶段解决电磁兼容问题所需要的费用是设计开发阶段的几十甚至上百倍,因而,一个产品在设计开发阶段解决电磁兼容问题是非常重要的。

电磁兼容设计的方法

为了隔断干扰的传播途径、提高弱电设备的抗干扰能力,在电磁兼容设计中经常使用的方法有:分离、隔离、屏蔽、滤波以及保护。 

(1)分离常用的方法是:几何位置分开,即将工作电压不同(有时是不同能量水平)的电路应在几何位置上分开布置,几何位置分开是用来削弱电路之间噪声耦合的有效措施。 

(2)隔离就是电气隔离,是将各种不同功能的电路之间进行电气的绝缘,以阻断噪声信号的传导。光耦隔离以及变压器隔离电气隔离是隔离的主要方法。 

(3)屏蔽包括利用空间及遮挡隔离、电缆及接插件屏蔽等。 

(4)滤波主要是通过铁氧体磁珠、电容等消除干扰。 

(5)保护就是使用各种噪声吸收器件来削弱电磁噪声的幅度。

电磁兼容屏蔽技术的应用 

1. 电磁兼容屏蔽性质的分类 

(1)依照电磁场的性质来划分:电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。大部分情况下,电磁干扰是电场和磁场同时存在的辐射电磁场。下面两种特殊情况下,可以按电场屏蔽、磁场屏蔽来考虑:

①对于高电压同时是小电流的干扰源,这种情况按电场来考虑。

②对于低电压同时是大电流的干扰源,应该按磁场考虑。

(2)依照屏蔽体的结构分类:完整屏蔽体、非完整屏蔽体和编织带屏蔽等。

2. 电磁兼容屏蔽的原理

(1)磁场屏蔽。磁场屏蔽分为高频磁场屏蔽和静磁场屏蔽。

①高频磁场是在屏蔽壳体表面感生涡流,因而产生反磁场来抵消穿过屏蔽体的原来的磁场。高频磁场屏蔽是使屏蔽体旁边的磁场增强,从而使磁力线绕行通过,原理如图1所示。

②静磁场是指磁力线在低磁阻的磁路通过。静磁场屏蔽用到的主要是高磁导率的材料这些材料具有非常低的磁阻把磁力线封闭在屏蔽体内,原理如图2所示。

 

电磁兼容屏蔽方法

 

(2)电磁场屏蔽。电磁波到达金属屏蔽体时产生的反射和吸收作用是电磁场屏蔽的基本原理。波阻抗相差的越大时,由反射引起的损耗也越大;因为反射和频率有直接关系,当频率越低时,反射越严重。涡流是引起电磁波在穿透屏蔽体时的能量吸收损耗的主要因素。

涡流的作用:

①产生反磁场来抵消原干扰磁场。

②产生热损耗,所以当频率越高同时屏蔽体越厚时,产生的涡流损耗就会越大。

电磁兼容屏蔽在产品上的应用

在实际应用中,用屏蔽体将元器件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来,以防止干扰信号向外传播;把接收电路、设备或系统用屏蔽体包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体有吸收和反射导线、电缆、元器件、电路或系统等内外部电磁波的功能,所以屏蔽体能够弱化一定的干扰。在大部分实际应用中,屏蔽主要是通过反射原理来完成的。

屏蔽设计往往与搭接联系在一起。搭接是在两金属表面之间构造一个低阻抗的电气连接。当两边的结构体不能完成很好的搭接时,通常需要通过密封衬垫来弥补。

在选择电磁密封衬垫时,下面几个因素是需要考虑的:屏蔽性能要求、有无环境密封要求、安装结构要求和成本要求等,通过对不同衬垫的特征进行比较得知,屏蔽涉及的关键是电连续性。

有着最优化电连续性的屏蔽体是一个全封闭的单一金属壳体。但是在实际应用中,往往有散热孔、出线孔、可动导体等,所以如何合理的设计散热孔、出线孔、可动部件间的搭接成为屏蔽设计的要点。只有合理协调孔缝尺寸、信号波长、传播方向以及搭接阻抗等因素,才能设计出能起到一定功能的屏蔽体。

总结:

电子设备在电磁兼容试验过程中需要考虑的问题非常多,在试验过程中应对出现的问题具体分析,采取相应措施。开关电源变压器初级的共模噪声向次级噪声传递是开关电源产品EMI问题的一个主要原因,为截断这种传递的路径,需要在绕制变压器时,需要在初级与次级之间加上屏蔽层,并接至直流地上或直流的高压端。为了保证屏蔽层能发挥良好的隔离作用,屏蔽层与直流地或直流的高压端连接要保证“零阻抗”,这是屏蔽效果好坏的关键。

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